沖擊地壓指井巷或工作面周圍煤巖體，由于彈性變形能的瞬時釋放而產生突然劇烈破壞的動力現象，常伴有煤巖體拋出、巨響及氣浪等，具有很強的破壞性[1-4]。隨著我國煤礦開采強度和開采深度不斷增加，沖擊地壓災害已經成為威脅煤礦安全生產的重大災害之一[5-6]。據不完全統計，全國沖擊地壓礦井數量由 1985 年的 32 個增加到現在的 180 多個，其中近 50 個礦井開采深度達到或超過 1 000 m[7-8]，沖擊地壓發生頻率和烈度均有顯著增加。

 

　　煤層開采達到一定深度后，一方面，煤巖體性質將由彈脆性向黏彈塑性轉變，使得能量積聚方式由線彈性轉變為黏彈非線性，尤其是深部高圍壓下煤巖積聚的能量遠高于淺部[5，9]; 另一方面，煤巖體能量釋放方式向非線性轉變，此時能量釋放無法通過一次性卸壓來完成，需多次甚至持續性卸壓讓黏彈性變形能釋放。當開挖卸荷尺度過大時，易導致積聚的高彈性能突發性釋放，如“蠕變型”沖擊地壓便是深部開采沖擊地壓的一種形式[10]。特別是當上覆厚層堅硬頂板斷裂、斷層活化等產生動載作用于積聚高能量的采掘圍巖時，極易造成強沖擊[7，11]。因此，深部沖擊地壓監測防治難度更大，必須針對“深部”的特點開展沖擊地壓監測預警與卸壓解危研究。

　　1 深部開采沖擊地壓致災機理及類型

　　根據深部煤巖體賦存環境、力學性質和沖擊地壓主要影響因素[5-6]，也可將深部開采沖擊地壓分為應變型、斷層滑移型和堅硬頂板型 3 類，但其致災機理與淺部煤巖具有很大不同。

　　1. 1 深部應變型煤巖體在深部高應力作用下將發生脆-延轉化，表現為持續的強流變性，可視為黏彈塑性介質[5]。深部采掘工程擾動后，采掘空間附近圍巖應力重新分布，在高應力作用下發生黏彈性或黏彈塑性流變，基于 Kelvin，Burgers 等模型[43]，結合室內不同應力水平下砂巖的分級流變試驗結果，構建深部圍巖非線性黏彈塑性本構模型，具體如圖 1 所示，其中曲線 b，c 的 表達式分別為 ε( t) = 1 E1 + 1 E2 1 - e - E2 η1 t ( ) [ ] σ0 + σ0 - σs1 η2 t， σs1 ≤ σ0 ≤ σs2 ( 1) ε( t) = 1 E1 + 1 E2 1 - e - E2 η1 t ( ) [ ] σ0 + σ0 - σs1 η2 t + σ0 - σs2 η3 t n ，σ0 ≥ σs2 ( 2) 式中，t 為流變時間; σ0為模型總應力; σs1，σs2為模型塑性參數; E1，E2為模型彈性參數; η1，η2，η3為模型黏性參數; n 為流變指數，大于 1 的整數。

　　采掘擾動后圍巖積聚能量主要表現為 2 個特征: 一是在礦山壓力作用下圍巖應力重新分布，圍巖內能量積聚明顯大于能量釋放與耗散之和，造成圍巖破壞; 二是破壞圍巖積聚的彈性應變能緩慢釋放并驅動圍巖深部產生塑性變形，到一定圍巖深度后受高應力作用，這一過程到一定深度后會受到阻礙[10]，造成此區域應力集中不斷增大。參考文獻[44]的模擬方法，建立了如圖 2( a) 所示的流變數值模型，研究不同流變時間作用下煤壁的支承壓力演化規律，結果如圖 2( b) 所示。隨著流變時間增加，支承壓力峰值向圍巖深部轉移到一定深度后受到阻礙，且支承壓力峰值逐漸增大，如當流變時間從 0. 1 a 增大道 0. 5 a 時，最大應力集中系數從 1. 4 大到 1. 6。根據上述結果，可將深部應變型沖擊地壓的發生機制描述為: 深部開采巷道圍巖在采掘擾動下圍巖應力重新分布，圍巖破壞深度逐漸增大直至穩定后，在高應力作用下應力集中程度不斷增大，甚至進入流變狀態，結合圖 1 可知，此時圍巖的應變會呈非線性快速增大，即積聚的能量會快速增多，當圍巖積聚的能量大于其釋放能量與耗散能量之和時，就會發生深部應變型沖擊地壓，具體如圖 3 所示。

　　1. 2 深部堅硬頂板型隨著開采深度增加，不僅煤體積聚的彈性應變能增多，且由于堅硬頂板的厚度及懸頂長度增加，其積聚的彎曲變形能也呈快速增加趨勢。參考文獻[45]的模擬方法，建立了如圖 4 所示的 FLAC3D 巖梁數值模型，研究巖梁長度及厚度對巖梁能量積聚的演化規律，結果如圖 5 所示。巖梁積聚能量隨著巖梁長度或厚度的增大而呈非線性增大趨勢，當 巖 梁 長 度 從 20 m 增大到 40 m 時，積聚能量從 0. 78 MJ 增大到 6. 57 MJ; 當巖梁厚度從 2 m 增大到 4 m 時，巖梁積聚能量從 1. 82 MJ 增大到 4. 98 MJ。淺部開采條件下，取堅硬頂板厚度、懸頂長度為 H1，L1 ; 深部開采條件下，取堅硬頂板厚度、懸頂長度為 H2，L2，有 H1

　　1. 3 深部斷層滑移型斷層滑移型沖擊地壓是由于采礦活動引起斷層相對錯動而猛烈釋放能量的現象。在受開采擾動前，煤巖體內任意點的應力都是平衡的，假設斷層滑移面的抗剪強度及其面上的剪應力分別為 τT，τ，判定斷層是否發生滑移的條件[47]可表示為 τT ≤ τ 斷層不滑移 { > τ 斷層滑移 ( 3) 無外界開采擾動時，斷層滑移面上的剪應力小于其抗剪強度，斷層不發生滑動; 受采掘影響，易導致斷層滑移面上的剪應力增大或抗剪強度減小，使斷層滑移面上的剪應力大于其抗剪強度，造成斷層發生滑移，產生沖擊地壓。

　　2 深部開采煤巖沖擊傾向性評價

　　受深部復雜應力環境和煤巖體力學性質改變的影響，現有沖擊傾向性評價指標體系存在不同程度高估或低估現象，無法完全滿足深部開采煤層沖擊傾向性評價要求。

　　2. 1 沖擊傾向性指標沖擊地壓發生需要煤巖體滿足一定物性條件，即煤巖具有沖擊傾向性[48-51]。為定量衡量煤巖沖擊傾向性大小，我國 2010 年制定以動態破壞時間( DT ) 、彈性能量指數( KE ) 、沖擊能量指數( WET ) 和單軸抗壓強度( RC ) 為核心的煤巖沖擊傾向性評價的國家標準。但這些指標在應用過程中具有一定局限性，動態破壞時間無法反映煤巖破壞過程中的能量關系; 彈性能量指數不能反映煤巖破壞釋放能量和破壞所需能量之間的關系; 沖擊能量指數無法反映煤巖破壞過程中轉化成動能的剩余能量大小，以及沒有考慮塑性變形過程中所消耗的能量。沖擊地壓是頂底板及煤層在原巖應力和礦山采動應力共同作用下力與能量不連續傳遞的結果，其發生不僅取決于煤巖屬性，而且與煤巖組合形式、應力環境、圍巖性質等因素有著密切關系[17-22]。基于此，提出了煤巖組合沖擊能速度指數和卸圍壓沖擊能速度指數兩個沖擊傾向性指標。

　　2. 2 沖擊傾向性最優模糊評價方法傳統的模糊評價方法一般采用線性加權平均，使評判結果趨于平均化，評判結果可靠性差，尤其是進入深部開采后評價指標較多且所占權重不同。為克服深部開采沖擊傾向性評價指標權重人為影響，各類型沖擊地壓的評價指標權重應采用最優模糊評價方法確定，即在確定評價因素的評價等級和權值基礎上，構造模糊評判矩陣，確定評價對象的所屬等級[54]。

　　3 深部開采沖擊地壓監測預警

　　大量實踐表明，深部 3 類沖擊地壓前兆信息差異性大，建立與深部三類沖擊地壓相適應的監測預警方法，能夠更好實現對深部沖擊地壓的可靠預警。

　　3. 1 深部應變型深部應變型沖擊地壓是煤巖系統在變形過程中的能量穩定態積聚、非穩定態釋放的非線性過程，煤巖體應力及積聚彈性能較大。沖擊發生前，煤體應力、鉆屑量、電磁輻射強度等信號持續升高，而微震呈現多微破裂事件、振蕩變化，但微震事件頻次和能量均較小。因此，建議以應力在線法和鉆屑法監測為主、電磁輻射和聲發射監測為輔，用應力或鉆屑量增量梯度進行預警。

　　3. 2 深部堅硬頂板型深部堅硬頂板型沖擊地壓是頂板隨工作面回采不斷發生離層并產生大量微破裂，超過其極限狀態時突然斷裂失穩破壞的過程。在釋放大量能量同時，應力會從靜態到動態突然轉變。沖擊發生前，微震或聲發射事件的能量和頻率均增大，且煤體應力或鉆屑量也呈增大趨勢。因此，建議采用微震法監測頂板破裂事件增加作為遠期預警，將煤體應力、鉆屑量或聲發射事件增大作為近期預警。

　　3. 3 深部斷層滑移型深部斷層滑移型沖擊地壓是由于斷層面產生滑移、巖體加速滑動而產生，釋放大量能量同時，也會造成煤體應力瞬間增大。由于斷層滑移具有“持續滑動-突變”或“黏滑-間歇-突變”的特征，沖擊發生前，能量會呈指數型增長趨勢或多峰值特征。因此，建議采用微震或聲發射監測斷層活動性，以應力在線法和鉆屑法監測斷層引起的應力變化作為近期預警。

　　4 深部開采沖擊地壓卸壓解危技術

　　4. 1 組合式解危方法基于深部應變型、堅硬頂板型和斷層滑移型沖擊地壓發生機理，結合開采保護層、鉆孔卸壓、深孔爆破和、煤層注水等方法的卸壓解危原理，提出了不同類型沖擊地壓的組合式解危方法，具體如圖 16 所示。防治深部應變型沖擊地壓，需從 2 方面 入 手: ① 降低煤層沖擊傾向性，如開采保護層和煤層注水; ② 減小工作面超前支承壓力峰值及范圍，如開采保護層、煤層注水、斷底和大直徑鉆孔。幾種解危方法優先順序為: 開采保護層、大直徑鉆孔、斷底、煤層注水。對于深部堅硬頂板型沖擊地壓，關鍵是控制厚層堅硬頂板斷裂，其次是降低煤層沖擊傾向性。開采保護層既可破壞頂板完整性，又能降低煤層沖擊傾向性，是消除此類沖擊危險的有效方法。深孔斷頂爆破可避免堅硬頂板懸頂產生的應力集中，從根本上消除了堅硬頂板突然斷裂對工作面產生的沖擊。幾種解危方法優先順序為: 開采保護層、深孔斷頂爆破、大直徑鉆孔、斷底、煤層注水。、

　　4. 2 典型沖擊地壓卸壓解危實踐 ( 1) 深部應變型。選用大直徑鉆孔在陽城煤礦 1304 工作面超前 80 m 范圍內進行卸壓后，采用鉆孔應力在線監測系統對卸壓前后工作面超前支承壓力進行了實時監測，結果如圖 18 所示。采用大直徑鉆孔卸壓前，工作面超前支承壓力峰值為 44. 5 MPa，位于工作面前方 40 ～ 45 m; 采用大直徑鉆孔卸壓后，工作面超前支承壓力峰值為 42. 5 MPa，但位于工作面前方 55 ～ 58 m。鉆孔卸壓降低了工作面超前支承壓力，且使支承壓力峰值向深部轉移，降低了工作面沖擊危險性。 2) 深部堅硬頂板型[55]。華豐煤礦 1411 工作面選用深孔斷頂爆破和大直徑鉆孔進行卸壓。工作面實施卸壓解危措施后，采用鉆屑法對卸壓前后工作面煤壁前方 30 m 處進行了監測，監測結果如圖 19 所示。 3) 深部斷層滑移型。孫村煤礦 1411 工作面選用大直徑鉆孔作為常規卸壓手段。工作面施工卸壓鉆孔后，對卸壓前后微震監測數據進行了對比分析，結果如圖 20 所示。卸壓前，隨著工作面回采接近斷層，微震釋放能量先增大后減小，釋放最大能量約為 65 kJ; 卸壓后，微震釋放能量也是先增大后減小，但卸壓后的最大微震能量為 41 kJ，僅為卸壓前的 63. 07%，說明工作面卸壓效果明顯，沖擊危險得到緩解。

　　5 結 論

　　( 1) 采掘擾動后圍巖能量積聚呈黏彈非線性，深部應變型沖擊地壓是圍巖系統能量積聚大于能量釋放與耗散之和的結果; 深部堅硬頂板型沖擊地壓是由頂板破斷引起，但與淺部相比，煤層積聚彈性變形能和頂板積聚彎曲變形能均增大，轉換為煤體拋出的動能增多; 深部斷層受高集中應力和斷層面兩側煤巖力學性質差異較大的影響，開采擾動下更易發生錯動滑移，導致深部斷層型沖擊地壓發生。 ( 2) 深部應變型沖擊地壓是應力集中和能量大量積聚的結果，應以能量和應力判據為主; 深部堅硬頂板型沖擊地壓是應力從靜態到動態突然轉變，以及釋放大量能量的過程，也應以能量和應力判據為主; 深部斷層滑移型沖擊地壓是釋放能量從量變到質變，應以能量判據為主。基于各類沖擊地壓特點，提出了以深部沖擊地壓類型為導向的監測預警方法。 ( 3) 深部應變型沖擊地壓解危方法優先順序為開采保護層、大直徑鉆孔、斷底和煤層注水; 深部堅硬頂板型沖擊地壓解危方法優先順序為開采保護層、深孔斷頂爆破、大直徑鉆孔、斷底和煤層注水; 深部斷層型沖擊地壓解危方法優先順序為開采保護層、大直徑鉆孔和煤層注水。研發了鉆孔施工與預警同步一體化技術，可在鉆孔施工過程中通過監測煤粉量和應力變化信息，對施工過程中可能發生的沖擊危險進行同步預警。

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　　《煤礦深部開采沖擊地壓監測解危關鍵技術研究》來源：《煤炭學報》，作者：譚云亮1，2 ，郭偉耀1，2 ，辛恒奇3 ，趙同彬1，2 ，于鳳海1，2 ，劉學生1，2